Абсорбционные холодильные установки (АХУ) нашли широкое применение в агрегатах синтеза аммиака большой мощности, благодаря воз-можности утилизации низкопотенциального тепла, что существенно повышает экономичность технологических процессов.

Одним из основных аппаратов участка вторичной конденсации, котором собственно и происходит выделение продукционного аммиака из циркуляционного газа (ЦГ), является испаритель, включенный в схе-му работы двух АХУ. Опыт эксплуатации АХУ свидетельствует о нестабильности их работы [1], что приводит к колебаниям температуры ЦГ в испарителе, с увеличением которой хотя бы на 1 0С энергозатраты компрессорной системы возрастают на 32 кВтчас. При среднегодовой работе агрегата 8 тыс. часов общее энергопотребление увеличивается на 256 тыс. кВт. При этом расходные коэффициенты по природному газу и обессоленной воде увеличиваются соответственно на 0,77 нм3/тNH3 и 7,36 кг/тNH3 [2].

Особенность процесса испарения заключается в том, что жидкий хлада-гент, поступающий в испаритель, содержит некоторое количество воды, и весовая концентрация хладагента на входе по проекту составляет 0,998 кг/кг. При абсолютном давлении кипения 0,29 МПа в испарителе накапливается вода, удаление которой, как правило, предусматрива-ется периодическим дренированием в виде флегмы. Однако данные по влиянию процесса дренирования флегмы из испарителя отсутствуют, как и отсутствуют в литературе данные по количественным зависимо-стям и их характеру на эффективность охлаждения ЦГ в испарителях АХУ.

С целью установления вышеуказанных зависимостей и их характера была проведена статическая идентификация математической модели испарителя на основе данных, полученных путем пассивного регистра-ционного эксперимента. Целью идентификации было установление ос-новного параметра связи – коэффициента теплопередачи К, определяе-мого коэффициентами теплоотдачи и термическим загрязнением стенок труб RЗ.

По результатам идентификации было установлено выражение для тер-мического загрязнения стенок RЗ (м2К/Вт) [3]:

R3= - 3,1410 –4 +5,663810 –5MСК ,          (1)

где МСК – средний расход аммиачного конденсата внутритрубного про-странства испарителя, т/час.

Как показывают результаты расчетов, погрешность вычислений коэф-фициента загрязнений не превышает 10-12 %, а сама его величина выше общепринятых значений, рекомендуемых в литературе и заложенных в проектный расчет. Это обусловлено, по всей видимости, наличием кон-денсата во внутритрубном пространстве и катализаторной пылью. Ис-следования по установлению характера и количественных зависимостей влияния расхода флегмы на эффективность процесса охлаждения осуществлялись по математической модели.

Разработанная модель испарителя включает в себя уравнения теплоот-дачи, теплопередачи, материальных и тепловых балансов, учитываю-щих изменения расхода флегмы из испарителя, концентрации жидкой и газообразной фаз хладагента, термодинамические зависимости, форму-лы для расчета теплофизических свойств и ряд допущений и ограниче-ний (насыщенность паров аммиака по всему объему, тепло гидравличе-ских потерь пренебрежимо мало, отсутствие теплообмена с окружаю-щей средой, равномерное распределение концентрации аммиака в объе-ме кипящей жидкости, среднелогарифмическая разность температур); основные из уравнений следующие:

- уравнение материального и энергетического балансов для двухфазного пространства
      

- уравнение покомпонентного материального баланса

В процессе эксплуатации основное возмущающее воздействие на рабо-ту испарителя оказывают: тепловая нагрузка ЦГ, давление в межтруб-ном пространстве, концентрация и расход аммиака на входе в испари-тель и расход флегмы. Эти параметры выбраны как независимые пере-менные для дальнейших исследований в соответствии с разработанным алгоритмом [4], позволяющим вычислить количество трубок, погру-женных в хладагент, и изменение уровня хладагента при различных условиях тепломассонагрузок на испаритель.

Проведенный анализ статических зависимостей, представленных на рис.1, свидетельствует, что как характер холодопроизводительности, так и температуры ЦГ на выходе из испарителя с изменением расхода флегмы носит экстремальный характер. Это обусловлено тем, что с по-вышением расхода флегмы МХВЫХ от 0,6 т/час до 0,8 т/час увели-чивается концентрация кипящего в испарителе аммиака, и в условиях постоянного давления РМТ=0,16 МПа снижается температура кипения хладагента от –17,76 0С до –19 0С. При этом увеличивается средняя разность температур tСР, количество испаряющегося хладагента МУВЫХ, и как следствие –рост удельного теплового потока q от 9,6 кВт/м2 до 10 кВт/м2, расхода сконденсировавшегося аммиака на выходе испарителя МКВЫХ, а также холодопроизводительности Ф от 5 МВт до 5,25 МВт и расхода конденсата на выходе испарителя от 17,941 т/час до 18,166 т/час. Дальнейшее увеличение МХВЫХ до 1 т/час вследствие повышения tСР при ограничении расхода входящего в испаритель хладагента МХВХ вызовет уменьшение количества трубок, погруженных в хладагент, что приведет к повышению q и падению Ф до 5,13 МВт, а температура охлаждения ЦГ повысится до -12,5 0С.

Таким образом, существующий метод периодического дренирования флегмы малоэффективный, а, значит. требуется разработка систему автоматического управления этим процессом, для создания которой необходимо знание динамических характеристик объекта.

Анализ полученных динамических характеристик при возмущающем воздействии по флегме показал, что объект обладает достаточной инер-ционностью (более одного часа), обусловленной большой металлоемкостью испарителя. Задача экстремального регулирования таких объектов более эффективно решается с применением систем супервизорного управления [5].При этом поиск экстремума можно осуществлять путем алгоритма одномерного поиска (метод Фибоначи или «золотого сечения»), а температуру ЦГ – по разработанному алгоритму [4].

Итак, проведенные исследования позволили установить экстремальный характер влияния расхода флегмы на эффективность работы испарителя и синтезировать систему супервизорного управления, по-зволяющую повысить экономичность процесса охлаждения на участке вторичной конденсации, а, следовательно, снизить энергозатраты в производстве аммиака в целом.

С анализом рынка аммиака Вы можете познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок аммиака в России».

Литература

1. Бабиченко А.К. Исследование эффективности эксплуатации участка вторичной конденсации агрегата синтеза аммиака от темпера-туры атмосферного воздуха. /Вестн. ХГПУ. 1999. Вып.26, с. 96-99.

 2. Бабиченко А.К., Ефимов В.Т. Влияние температуры вторич-ной конденсации на экономические показатели работы агрегатов синте-за аммиака большой мощности. /Вопр. химии и хим. технологии. 1986. Вып. 80, с.113-117.

3. Бабиченко А.К., Тошинский В.И., Бабиченко Ю.А., Крас-ников И.Л. Идентификация и математическое моделирование испари-теля абсорбционной холодильной установки агрегата синтеза аммиака. /Вестн. ХГПУ. 2000. Вып.78, с. 62-64.

4. Бабиченко А.К., Тошинский В.И., Бабиченко Ю.А. Опти-мальное управление процессом охлаждения циркуляционного газа в испарителях абсорбционной холодильной установки агрегата синтеза аммиака. /Интегрированные технологии и энергосбережение. 2000. Вып. 3, с. 105-112.

5. Солодовников В.В. Теория автоматического регулирования.
М.: Машиностроение, 1976, т.1 – 768 с.

В.И. Тошинский, Ю.А. Бабиченко
(НТУ «ХПИ», Харьков)